Диссертация (1097826), страница 32

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 32)

Большее усиление обратногоЭЭК может быть получено, если вместо однородного слоя ферромагнетика использовать композитный плазмонный материал, состоящий из периодическичередующихся полос золота и никеля субволновых размеров (см. вставку нарис. 5.8).На длине волны 630 нм диэлектрические проницаемости золота и никеляимеют почти одинаковые действительные части, но их мнимые части сильноотличаются (  Au  8, 9  1,1i и  Ni  9, 2  14, 4i [222]).

Поэтому длины волн ПППна поверхностях золота и никеля почти одинаковые, но коэффициенты поглощения сильно различаются. Длина волны ППП, распространяющегося вдольграницы раздела [золото] / [никель], равна 595 нм (при длине волны падающегоизлучения λ = 630 нм). Если период структуры гораздо меньше, чем это значение, то композитная структура золото/никель является своего рода эффективнойсредой. Чем меньше доля никеля в структуре, тем больше эффективность возбуждения ППП.Однородной никелевой пленке соответствует фактор заполнения f =1, где fопределяет относительную объемную долю никеля в слое. При уменьшении fHeff растет, что связано с повышением концентрации электромагнитного полявблизи поверхности структуры при возбуждении ППП.

Модуль Heff достигает3000 Э для узких никелевых полос (f < 0,1). Таким образом, при возбужденииППП происходит значительное усиление обратного ЭЭК более чем на порядоквеличины.219 2.0100 nm(a)100 nm(b)1.00.0|H w|/|Hwi|10000-1000-2000-3000-4000-5000H eff (Oe)(Э) Рис. 5.9: (а) Распределение модуля магнитного поля |Hw| электромагнитной волны в плазмонном кристалле (схема кристалла изображена на вставке), нормированного на амплитуду магнитного поля падающей волны |Hwi|. (б) Распределение эффективного магнитного поля Heff, индуцированного в плазмонном кристалле лазерным импульсом. На рисунке изображены три периода структуры.Пиковая интенсивность лазерного импульса 500 Вт/мкм2; длительность импульса 40 фс.

Период структуры d = 400 нм, ширина щели 120 нм, толщина никелевой пленки 100 нм.Если из рассматриваемой структуры исключить золотые полосы («заменить» их воздухом), а период сделать сравнимым с длиной волны ППП, то влияние периодичности станет существенным, и такая структура может быть отнесена к классу плазмонных кристаллов. Хотя никель-содержащие плазмонныекристаллы обладают большими оптическими потерями, тем не менее, они такжемогут концентрировать электромагнитную энергию при выполнении условийвозбуждения ППП (рис. 5.9а).

Например, плотность электромагнитной энергиивблизи поверхности раздела никеля и диоксида кремния по отношению к падающей волне увеличивается на порядок.220 Величина создаваемого в плазмонном кристалле эффективного магнитногополя также увеличивается и превышает 5000 Э вблизи поверхности никеля, чтосоответствует почти двукратному дополнительному усилению поля Heff. Характерной особенностью обратного ЭЭК в плазмонных кристаллах является то, чтополе Heff имеет противоположные направления в разных частях никелевых полос (синий и розовый цвета на рис. 5.9б). Это открывает новые возможности длялокального контроля намагниченности ферромагнитных материалов.221 Глава VIОптическое и акустическое управление плазмонными резонансамиКак было показано в главе II, дисперсия ППП в плазмонном кристалле может быть изменена посредством внешнего магнитного поля.

Поскольку управление намагниченностью образца возможно на временных масштабах порядка100 пс - 1 нс, то это дает возможность модулировать характеристики плазмонной волны и прошедшей или отраженной световой волны с частотой до нескольких десятков гигагерц. Перейти к еще большим частотам можно путемвоздействия на металл фемтосекундными импульсами лазерного излучения. Если энергия падающего импульса достаточно велика, то оптическое излучениевызывает сверхбыстрые изменения диэлектрической проницаемости металла,которые в свою очередь проявляются в сверхбыстрых изменениях коэффициентов отражения и прохождения. Эффективность воздействия оптического излучения на металл можно значительно увеличить, если использовать плазмонныйкристалл, поскольку периодическая структура кристалла приводит к резонансному возбуждению ППП и к локализации электромагнитного поля вблизи металла.В данной главе приведены результаты экспериментального и теоретического изучения явления сверхбыстрого изменения оптических свойств золота привозбуждении ППП в плазмонном кристалле.1.

Управление плазмонными резонансами посредством импульсов лазерного излучения1.1. Экспериментальная установка и методика измеренийНаблюдение сверхбыстрых изменений оптических свойств плазмонного222 криссталла ппроведеноо методоом нелиннейной сспектросккопии «ввозбужденниезонддированияя» («pumpp-probe») с фемтоссекундныым временнным разррешениемм. Вкачеестве истточника ннакачки в эксперименталььной устаановке исспользоваалсяфемтосекунднный Ti:Saa лазер с централььной длинной волныы 800 нмм, длителььностьюю импульсса  D  300 фс и часстотой поовторенияя импульссов 80 МГГц (Рис. 66.1.).Для коррекциии огибаюющей и центральноой частотты лазернного импуульса испоольмирователль импулььсов. Затеем лазернный импулльс раздеелялся на имзоваался формпулььсы накаччки и зоондированния при ппомощи светоделиителя.

Иннтенсивноостьимпуульса наккачки прииблизителльно в 100 раз преевосходилла интенссивность импулььса зондиирования. Разностьь между оптическкими длиннами путти импулььсовнакаачки и зонндированиия регулиировалась линией ззадержки,, находящщейся на ппутиимпуульса наккачки.гальвванометрзеркальный оббъективлиниия задержкиинаакачкаобраззецзондформмировательимппульсовделителььфотодетекторлазерфильтрРис. 6.1. Схемма эксперрименталььной устанновки [2223].ижения с закрепленнным на немИспользоование сттолика пооступателььного двиуголлковым оттражателеем позволлило меннять времеенную задержку междумзонндирующим имппульсом и импульссом накаччки в пределах до 670 пс с шагом 7 фс.223 Кроме того, импульс накачки проходил через механический прерыватель, работающий на частоте 3 кГц.

Для устранения паразитных интерференционных сигналов фаза импульса зондирования модулировалась с частотой несколько килогерц при помощи стеклянной пластины, закрепленной на гальво-приводе (5).Оба импульса фокусировались на образце зеркальным объективом с фокуснымрасстоянием 150 мм. При этом угол падения излучения на образец составлял 17°при разбросе по углу порядка 6°. Плоскости падения импульсов были установлены взаимно перпендикулярно.

Таким образом, если плоскость падения импульса накачки перпендикулярна к щелям плазмонного кристалла, то плоскостьпадения зондирующего импульса параллельна щелям (рис. 6.2).импульс накачкизондирующийимпульсРис. 6.2: Плазмонный кристалл и конфигурация падения излучения.Диаметр пятна фокусировки импульса накачки на поверхности образца составлял 8 мкм, что соответствует плотности энергии в одном импульсе500 мкДж/см2.В эксперименте регистрировалась временная зависимость вызванного импульсом накачки изменения интенсивности зондирующего излучения, прошед224 шего сквозь исследуемый образец или отраженного от него. Для этого отраженный или прошедший сигналы синхронно детектировались с помощью сбалансированных фотодиодов и синхронного усилителя. В результате измерялись относительные изменения коэффициентов прохождения и отражения T / T иR / R , связанные с изменением оптических свойств плазмонного кристалла поддействием импульса накачки.1.2.

Оптические свойства плазмонного кристаллаВ качестве исследуемого образца плазмонного кристалла использовалсятот же образец, что и при наблюдении ЭЭК (см. §3.5 главы II). Однако в данныхэкспериментах рабочий диапазон длин волн смещен в ближний ИК диапазон,поэтому необходимо изучить его оптические свойства в этом диапазоне. Нарис. 6.3 показаны спектры коэффициентов пропускания и отражения, измеренные при освещении образца широкополосным излучением галогеновой лампы вконфигурации падения импульса накачки (плоскость падения перпендикулярнащелям золотой решетки, угол падения 17°) (рис.

6.3a) и в конфигурации падения зондирующего импульса (плоскость падения параллельна щелям золотойрешетки, угол падения 17°) (рис. 6.3б).Резонансы Фано наблюдаются в спектрах, соответствующих обеим конфигурациям падения излучения, что свидетельствует о возбуждении ППП.

Дисперсия резонансов Фано в конфигурации импульса накачки показана на рис. 6.4.Она хорошо согласуется с дисперсией ППП, рассчитанной методом S-матрицы(штриховые линии на рис. 6.4). Следовательно, можно утверждать, что данныеособенности спектров являются аномалиями Вуда, обусловленными возбуждением ППП. Импульс накачки возбуждает ППП на границе раздела золото / диэлектрик, принадлежащие к четвертой плазмонной зоне (штриховая линия (1)на рис. 6.4) и имеющие энергию 1,52 эВ, и ППП на границе раздела золото /225 воздух, принадлежащие ко второй плазмонной зоне (штриховая линия (3) нарис.

6.4) и имеющие энергию 1,58 эВ.(c)1.00.80.040.40.020.000.2(a)(d)0.01.00.80.040.6ReflectionкоэффициентотражениякоэффициентпропусканияTransmission0.60.40.020.20.00(б)1.51.61.70.0ћ (эВ)[eV]Рис. 6.3: Экспериментально измеренные спектры коэффициентов пропускания(сплошная кривая) и отражения (штриховая кривая) при падении излучения подуглом 17° в конфигурациях импульса накачки (а) и зондирующего импульса (б).Падающее излучение в обоих случаях поляризовано перпендикулярно щелямплазмонного кристалла.Спектр коэффициента пропускания в конфигурации зондирующего импульса слабо зависит от угла падения, поскольку плоскость падения содержитщели золотой решетки.

Поэтому положение резонансов при  2  17 совпадает с226 положение резонансов при нормальном падении (сравните рис. 6.3б с сечениемрис. 6.4 при 1  0 ). Поскольку зондирующий импульс падает в плоскости щелей решетки, то он не передаёт никакого дополнительного импульса ППП, чтосоответствует 1  0 на дисперсионной диаграмме. Следовательно, зондирующий импульса взаимодействует с ППП из четвертой плазмонной зоны на границе раздела золото / диэлектрик с энергией 1.63 эВ. Необходимо отметить, что вплазмонных кристаллах возможно возбуждение как локализованных, так и распространяющихся ППП. В данном случае возбуждаются именно распространяющиеся ППП, о чем свидетельствует выраженная дисперсия резонансов в зави-(эВ)симости от угла падения.(град.)Рис. 6.4: Контурный график зависимости коэффициента пропускания от энергиипадающего излучения и от угла падения 1 , измеренный в конфигурации импульса накачки. Дисперсия ППП, распространяющихся на границе раздела BiIG/ Au (штриховые линии (1) и (2)), и на границе Au / воздух (штриховая линия(3)) рассчитаны с помощью метода матрицы рассеяния.

Характеристики

Список файлов диссертации